A good understanding of normal modal variability of civil structures due to varying environmental conditions such as temperature and wind is important for reliable performance of vibration-based damage detection methods. This paper addresses the quantification of wind-induced modal variability of a cable-stayed bridge making use of one-year monitoring data. In order to discriminate the wind-induced modal variability from the temperature-induced modal variability, the one-year monitoring data are divided into two sets: the first set includes the data obtained under weak wind conditions (hourly-average wind speed less than 2 m/s) during all four seasons, and the second set includes the data obtained under both weak and strong (typhoon) wind conditions during the summer only. The measured modal frequencies and temperatures of the bridge obtained from the first set of data are used to formulate temperature-frequency correlation models by means of artificial neural network technique. Before the second set of data is utilized to quantify the wind-induced modal variability, the effect of temperature on the measured modal frequencies is first eliminated by normalizing these modal frequencies to a reference temperature with the use of the temperature-frequency correlation models. Then the wind-induced modal variability is quantitatively evaluated by correlating the normalized modal frequencies for each mode with the wind speed measurement data. It is revealed that in contrast to the dependence of modal frequencies on temperature, there is no explicit correlation between the modal frequencies and wind intensity. For most of the measured modes, the modal frequencies exhibit a slightly increasing trend with the increase of wind speed in statistical sense. The relative variation of the modal frequencies arising from wind effect (with the maximum hourly-average wind speed up to 17.6 m/s) is estimated to range from 1.61% to 7.87% for the measured 8 modes of the bridge, being notably less than the modal variability caused by temperature effect.
Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation
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v.2
no.3
s.6
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pp.119-125
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2002
The objective of this study is to evaluate elastic modulus of bridge-axis direction for optimum structure system in the cable-stayed bridge design. In numerical example of this study, a slight change in axis direction elastic modulus causes major modifications of the bridge characteristics when it is $1\times10^4$ tonf/m/bearing or less. Therefore, the elastic modulus was set at this lower limit of $1\times10^4$ tonf/m/bearing where the strength of the entire bridge system is still determined by girder strength and the entire system is insensitive to variations in elastic modulus. Besides, cable-stayed bridge with freely supported girders have slightly longer vibration periods in the horizontal direction for earthquake forces.
Modal identification based on ambient vibration data has attracted extensive attention in the past few decades. Since the excitation for ambient vibration tests is mainly from the environmental effects such as wind and traffic loading and no artificial excitation is applied, the signal to noise (s/n) ratio of the data acquired plays an important role in mode identifiability. Under ambient vibration conditions, certain modes may not be identifiable due to a low s/n ratio. This paper presents a study on the mode identifiability of an instrumented cable-stayed bridge with the use of acceleration response data measured by a long-term structural health monitoring system. A recently developed fast Bayesian FFT method is utilized to perform output-only modal identification. In addition to identifying the most probable values (MPVs) of modal parameters, the associated posterior uncertainties can be obtained by this method. Likewise, the power spectral density of modal force can be identified, and thus it is possible to obtain the modal s/n ratio. This provides an efficient way to investigate the mode identifiability. Three groups of data are utilized in this study: the first one is 10 data sets including six collected under normal wind conditions and four collected during typhoons; the second one is three data sets with wind speeds of about 7.5 m/s; and the third one is some blind data. The first two groups of data are used to perform ambient modal identification and help to estimate a critical value of the s/n ratio above which the deficient mode is identifiable, while the third group of data is used to perform verification. A couple of fundamental modes are identified, including the ones in the vertical and transverse directions respectively and coupled in both directions. The uncertainty and s/n ratio of the deficient mode are investigated and discussed. A critical value of the modal s/n ratio is suggested to evaluate the mode identifiability of the deficient mode. The work presented in this paper could provide a base for the vibration-based condition assessment in future.
A recent work by the authors has demonstrated the feasibility of scour evaluation for Kao-Ping-Hsi Cable-Stayed Bridge simply based on ambient vibration measurements. To further attain the goal of scour monitoring, a key challenge comes from the interference of several environmental factors that may also significantly alter the pier frequencies without the change of scour depth. Consequently, this study attempts to investigate the variation in certain modal frequencies of this bridge induced by several environmental factors. Four sets of pier vibration measurements were taken either during the season of plum rains, under regular summer days without rain, or in a period of typhoon. These signals are analyzed with the stochastic subspace identification and empirical mode decomposition techniques. The variations of the identified modal frequencies are then compared with those of the corresponding traffic load, air temperature, and water level. Comparison of the analyzed results elucidates that both the traffic load and the environmental temperature are negatively correlated with the bridge frequencies. However, the traffic load is clearly a more dominant factor to alternate the identified bridge deck frequency than the environmental temperature. The pier modes are also influenced by the passing traffic on the bridge deck, even though with a weaker correlation. In addition, the variation of air temperature follows a similar tendency as that of the passing traffic, but its effect on changing the bridge frequencies is obviously not as significant. As for the effect from the alternation of water level, it is observed that the frequency baselines of the pier modes may positively correlate with the water level during the seasons of plum rains and typhoon.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.9
no.6
s.46
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pp.75-90
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2005
This paper proposes semi-active fuzzy control technique of magneto-rheological dampers for seismic response control of cable-stayed bridges. Through the fuzzy inference process, the proposed technique performs the semi-active control with the responses of MR dampers only. Moreover, differently from the conventional semi-active control technique, this technique does not require additional active controller for the primary controller, which provides a simple design process. in order to validate the control performance of the proposed technique, the semi-active fuzzy control technique is applied to the benchmark control problem of cable-stayed bridge and its control performance is compared with those of conventional semi-active control techniques. The comparative results show that the proposed fuzzy control technique can be an effective control strategy by efficiently and simultaneously reducing the mutual conflicting responses such as the shear forces and moments at the base of the lowers, longitudinal displacement of the deck, and tensions in the stay cables.
Jung, Myung Rag;Park, Se Woong;Min, Dong Ju;Kim, Moon Young
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.36
no.6
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pp.947-954
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2016
A simplified analysis method is first proposed in order to determine an optimized initial shape of cable-stayed bridges including all unstrained element lengths without using complicated nonlinear FE analysis. The unstrained-length based FE method is then presented using the unstrained lengths by the simplified analysis. To demonstrate validity and accuracy of the proposed method, Incheon bridge model having the fabrication camber is constructed and initial shaping analysis is performed using the presented method and commercial finite element analysis program, MIDAS. Resultantly it is shown that the initial solutions by the proposed algorithm are well optimized and in good agreement with those by MIDAS except for axial displacements of the main member.
Ho, Long V.;Khatir, Samir;Roeck, Guido D.;Bui-Tien, Thanh;Wahab, Magd Abdel
Smart Structures and Systems
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v.26
no.4
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pp.451-468
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2020
Although model updating has been widely applied using a specific optimization algorithm with a single objective function using frequencies, mode shapes or frequency response functions, there are few studies that investigate hybrid optimization algorithms for real structures. Many of them did not take into account the sensitivity of the updating parameters to the model outputs. Therefore, in this paper, optimization algorithms and sensitivity analysis are applied for model updating of a real cable-stayed bridge, i.e., the Kien bridge in Vietnam, based on experimental data. First, a global sensitivity analysis using Morris method is employed to find out the most sensitive parameters among twenty surveyed parameters based on the outputs of a Finite Element (FE) model. Then, an objective function related to the differences between frequencies, and mode shapes by means of MAC, COMAC and eCOMAC indices, is introduced. Three metaheuristic algorithms, namely Gravitational Search Algorithm (GSA), Particle Swarm Optimization algorithm (PSO) and hybrid PSOGSA algorithm, are applied to minimize the difference between simulation and experimental results. A laboratory pipe and Kien bridge are used to validate the proposed approach. Efficiency and reliability of the proposed algorithms are investigated by comparing their convergence rate, computational time, errors in frequencies and mode shapes with experimental data. From the results, PSO and PSOGSA show good performance and are suitable for complex and time-consuming analysis such as model updating of a real cable-stayed bridge. Meanwhile, GSA shows a slow convergence for the same number of population and iterations as PSO and PSOGSA.
The long-term behaviors of prestressed concrete cable-stayed bridges are considerably influenced by the time dependant material characteristics such as creep and shrinkage. This study investigated the influences of the change of relative humidity by application of the CEB-FIP model and ACI model, which are generally used in the prediction of long-term behavior of concrete structures. In case of the moment of girder, CEB-FIP model predicted a bigger effect of relative humidity change than the ACI model. Furthermore, the effect was significant. Also, the long-term behaviors between these models were different each other even under the same material condition. Therefore, the prediction of the long-term behavior should be compensated after comparative analysis with the results of material tests of each construction site and between the different models.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.24
no.2
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pp.177-184
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2011
In this paper the nonlinear analysis that include time-dependent characteristics of materials and geometric nonlinearity of elements for the cable-stayed PSC bridges is presented. Analysis models for finite element method were developed based on the flexibility based fiber beam-column model originally proposed by Spacone et al.(1996). The developed analysis model implemented in general purpose object-oriented finite element analysis program named HFC(Cho 2009). The performance of proposed analysis models is evaluated by comparing with the former results of the design data. The deflection of time dependent analysis is larger than time ignored analysis on construction sequences, and the bridge is destructed at a smaller deflection than the time ignored analysis on failure behavior.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.20
no.2
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pp.113-123
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2016
This paper is concerned with an experimental research to control of random vibration caused by external loads specially in cable-stayed bridges which tend to be structurally flexible. For the vibration control, we produced a model structure modelled on Seohae Grand Bridge, and we designed a shear type MR damper. On the center of its middle span, we placed a shear type MR damper which was to control its vibration and also acquire its structural responses such as displacement and acceleration at the same site. The experiments concerning controlling vibration were performed according to a variety of theories including un-control, passive on/off control, and clipped-optimal control. Its control performance was evaluated in terms of the absolute maximum displacements, RMS displacements, the absolute maximum accelerations, RMS accelerations, and the total power required to control the bridge which differ from each different experiment method. Among all the methods applied in this paper, clipped-optimal control method turned out to be the most effective to reduces of displacements, accelerations, and external power. Finally, It is proven that the clipped-optimal control method was effective and useful in the vibration control employing a semi-active devices such MR damper.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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